Новости

Широкополосные и избирательные усилители. Широкополосныеи избирательные усилители

Работа добавлена:






Широкополосные и избирательные усилители. Широкополосныеи избирательные усилители на http://mirrorref.ru

Министерство образования Республики Беларусь

УО «Брестский государственный политехническийколледж»

Основы электроники и микроэлектроники

Раздел 4. Основы электронной схемотехники

Тема 4.5. Широкополосные и избирательные усилители4.5 Широкополосныеи избирательные усилители

4.5.1 Широкополосныеусилители

В современной РЭА (телевизионной, измерительной, системах телеуправления, импульсных радиолокаторах и т.д.) широкое применение находят усилители сигналов, спектр частот которых находится в пределах от звуковых  до частот в несколько мегагерц, а в некоторых случаях – до десятков и сотен мегагерц. Такие усилители называютсяширокополосными.

К широкополосным усилителям относятся иусилители видеоимпульсов,иливидеоусилители(ВУС), так как частотный спектр видеоимпульсов содержит большое количество гармоник с различными частотами. Схема ВУС такая же, как и резистивного усилителя напряжения (см. рисунок 4.14) и отличается лишь значениями элементов[5].

и биполярных (б) транзисторах

В качестве полевого транзистора (рисунок 4.14,а) используется полевой транзистор с управляющимp-nпереходом и каналомn-типа.

До моментаt1 (рисунок 4.23[5]) усилитель находится в режиме покоя, который характеризуется напряжениемuЗИ =UЗИ0,uСИ =UСИ0,uСр2 =UСИ0. В моментt1 напряжение затвора скачком уменьшается, уменьшается ток стока и падение напряженияuRc на резистореRс, что вызывает увеличение напряженияuСИ (uСИ=Ec-uRc) Паразитная емкость С = Свых+ См + Свх.д.сл препятствует скачкообразному увеличению напряженияuСИ, напряжениеuСИ увеличивается по экспоненциальному закону

uСИ =UmСИ (1 – еt/) +UСИ0(4.26)

по мере зарядки паразитной емкости С по цепи +ЕсRсCCи–Ес с постоянной временив в области верхних частот, определяемой выражением

в = СR,                                                                     (4.27)

гдеR – сопротивление нагрузки переменному току (R=RсRз сл/(Rс+Rз сл)).

Рисунок 4.23 – Графики изменений напряжений в ВУС при усилении

отрицательного прямоугольного импульса

Одновременно с зарядкой емкости С начинается зарядка разделительного конденсатора Ср2 по цепи +ЕсRсCRз сл–Ес с с постоянной временин в области низких частот, определяемой выражением

н = Ср2 (Rс+Rз сл)                                                          (4.28)

Напряжение на конденсаторе Ср2 будет изменяться по закону

uCp2 =UmСИ (1– еt/) +UСИ0.                                     (4.29)

Так какн >>в, то зарядка Ср2 будет продолжаться и после того, как емкость С полностью зарядится до значения

UСИmax =UСИ0 +UmСИ.                                                  (4.30)

В интервале времени t1…t2 происходит формирование фронта выходного импульса. При этом, как видно из схемы, uвых = uСИ – uСр2. Можно считать, что за это время напряжение на конденсаторе Ср2 не изменилось и осталось равным UСИ0. Следовательно, формирование фронта выходного импульса с учетом выражения (4.26) будет происходить по закону

uвых.ф = uСИ – UСИ0 = UmСИ (1– е–t/).                              (4.31)

В интервале времени t2…t3 формируется вершина выходного импульса. Так как при этом uСИ = UСИ max = UСИ0 + UmСИ, то с учетом выражения (4.29) выходное напряжение изменяется по закону

uвых = UСИmaxuCp2 = UmСИе–t/.                                    (4.32)

С момента времени t3 рабочая точка возвращается в положение, характеризующее режим покоя. Ток стока увеличивается, а напряжение uСИ уменьшается по мере разрядки емкости С через транзистор и резисторRз.сл. Выходное напряжение убывает до нуля при установлении равенства uС = uСр2. После этого начинает разряжаться конденсатор Ср2 ,ток разрядки которого протекает через резисторRз.сл. в направлении, противоположном направлению тока зарядки, образуя в выходном напряжении отрицательный выброс.

В ВУС на биполярном транзисторе (БТ) (рисунок 4.14,б) процессы при усилении видеоимпульсов протекают аналогично, однако искажения формы усиливаемых прямоугольных импульсов вызываются не только зарядкой и разрядкой емкостей С и Ср2, но и физическими процессами, происходящими в самом транзисторе.

4.5.2 Параметры, используемые для оценки искажений в ВУС

Из рисунка 4.24 видно, что отличия выходного импульса от прямоугольного проявляются в меньшей крутизне фронта, спаде, или завале вершины и появлении отрицательного выброса.  Амплитуда отрицательного выброса пропорциональна спаду вершины ΔUвых, поэтому для оценки искажений выходного импульса чаще всего применяются два параметра: время установления, или длительность фронта, и относительный спад вершины.

Временем установленияtу называют время, в течение которого выходное напряжение усилителя изменяется от 0,1 до 0,9 значения напряжения в установившемся режиме UmСИ, или в соответствии с рисунком 4.24,tу =t0,9t0,1. Так как при формировании фронта выходное напряжение изменяется по закону (4.31), то на основании этого можно записать:

0,1UmСИ = UmСИ (1 –е–t/);

0,9UmСИ = UmСИ (1 –е–t/).

Рисунок 4.24 – Форма выходного импульса напряжения видеоусилителя

Решая эти уравнения относительноt0,1 иt0,9, получаем

tу =t0,9t0,1 =вln 9 2,2в.                                   (4.33)

В ВУС на БТ время установления определяется выражением

tу =2,2,                                                        (4.34)

где =в +у21, ау211/2πfβ (fβ – граничная частота биполярного транзистора)

Таким образом, для уменьшения длительности фронта, или увеличения скорости нарастания выходного напряжения, необходимо уменьшать постоянную времени усилителя в области верхних частот, что равносильно увеличению верхней граничной частоты полосы пропускания

.                                             (4.35)

Относительный спад вершины выходного импульсаопределяется как отношение изменения напряжения на выходе усилителя ΔUвых за время действия входного импульсаtи к значению напряжения в установившемся режиме UmСИ, т.е.

= ΔUвых / UmСИ.                                                    (4.36)

Изменение напряжения на выходе за времяtи, равное длительности входного импульса, можно определить на основании уравнения (4.32):

ΔUвых = UmСИ – UmСИе–t/ = UmСИ(1 –е–t/).

Тогда

.                                                (4.37)

Выражение (4.37) показывает, что для уменьшения необходимо увеличиватьн по сравнению сtи, т.е. необходимо выполнять условиен >>tи.

н = 1/2fнtи=1/ωн,

гдеfн – нижняя граничная частота усилителя.

Из выражения (4.38) следует, что для уменьшения спада вершины выходного импульса необходимо уменьшить нижнюю граничную частоту полосы пропускания усилителя, т.е., как это вытекает из формулы (4.28) увеличивать емкость разделительного конденсатора Ср2.

4.5.3 Коррекция АЧХ усилителей переменного напряжения

Для увеличения верхней граничной частоты, как это видно из выражения (4.35), необходимо уменьшать значения С иR. Однако возможности для уменьшения емкости С ограниченные, а уменьшение эквивалентного сопротивленияR сопровождается, как это видно из (4.15), снижением коэффициента усиления.

Эффективность каскада резисторного усилителя принято оценивать егодобротностью,илиплощадью усиления,которая определяется из выражения [5]

D =KсрΔFKсрfв = .                                (4.39)

гдеS – крутизна стокозатворной характеристики полевого транзистора или характеристики управления биполярного транзистора;

Kср - коэффициент усиления транзистора по напряжению в области средних частот;

ΔF - полоса пропускания усилителя.

Выражение (4.39) показывает, что произведение верхней граничной частоты на коэффициент усиления усилителя в области средних частот есть величина постоянная. Следовательно, в рассмотренных усилителях переменного напряжения увеличениеfв неизбежно сопровождается уменьшениемKср.

Для увеличенияfв при неизменном значенииKср необходимо увеличивать площадь усиления усилителя, т.е. площадь, заключенную под АЧХ в полосе пропускания. Это достигается применением активного элемента с большей крутизной или введением в усилительвысокочастотной коррекции АЧХ. Элементы, которые ее обеспечивают, называютсяэлементами высокочастотной коррекции.

Наиболее распространенным видом высокочастотной коррекции является включение в цепь стока или коллектора транзистора дросселя с индуктивностью L (рисунок 4.25,а). Эквивалентная схема усилителя для области верхних частот приведена на рисунке 4.25,б. Согласно этой схеме, индуктивность L с емкостью C образуют параллельный колебательный контур. На резонансной частоте эквивалентное сопротивление контура Rэкв будет больше, чем сопротивление резистора Rc, вследствие чего увеличивается сопротивление нагрузки по переменному току и коэффициент усиления.

Эквивалентное сопротивление параллельного контура на резонансной частоте

RэквQэкв,                                                                 (4.    )

где ρ - характеристическое сопротивление контура;

Qэкв - эквивалентная добротность контура.

Характеристическое сопротивление и эквивалентная добротность контура соответственно равны:

           ,                                        (4.    )

В выражении (4.   )ri - внутреннее сопротивление транзистора переменному току,RH – сопротивление нагрузки (входное сопротивление следующего каскада (RH =RЗ2)), добротность контура без учетаri иRн

,                                                                (4.  )

гдеr – сопротивление потерь в контуре (определяется в основном сопротивлениемRC).

Входное сопротивление контура на резонансной частоте без учетаri иRн

RBX =ρQ         (4.)

Рисунок 4.25 – Принципиальная(а)и эквивалентная(б) схемы усилителя

с индуктивной высокочастотной коррекцией

Если резонансную частоту контура выбрать в области верхних частот, то из-за увеличения коэффициента усиления произойдет подъем АЧХ в этой области частот (криваяб на рисунке 4.26) и увеличениеfв до значенияfв кор. При оптимальной высокочастотной индуктивной коррекции увеличениеfв кор по сравнениюfв может достигнуть 1,7 раза.

Рисунок 4.26 – Вид АЧХ усилителя с коррекцией в области верхних

частот

В усилителях на БТ вследствие малого сопротивления нагрузкиRH (входного сопротивления следующего каскада) добротность параллельного колебательного контура оказывается низкой и увеличениеfв за счет индуктивной коррекции незначительное. Более эффективной в усилителях на БТ является высокочастотная эмиттерная коррекция, образованная элементамиRкор и Скор (рисунок 4.27,а).

Рисунок 4.27 – Схема усилителя с высокочастотной эмиттерной коррекцией(а) и его АЧХ(б)

Если Скор = , то в усилителе на всех частотах ООС по переменному току отсутствует и АЧХ усилителя отображается кривой 1 на рисунке 4.27,б.При Скор = 0 (т. е. когда конденсатор Скор отсутствует) на резистореRкор создается последовательная ООС по переменному току, что приводит к уменьшению коэффициента усиления и некоторому увеличениюfв до значенияfв.оос (кривая2).Для осуществления высокочастотной коррекции емкость конденсатора Скорвыбирают такой, что на нижних и средних частотах ООС сохраняется, а на верхних уменьшается. Это приводит к увеличению коэффициента усиления в области верхних частот (кривая3)и увеличениюfв до значенияfв кор.

Для уменьшения спада вершины выходного импульса, как было отмечено, необходимо уменьшать нижнюю граничную частоту усилителя. Это достигается с помощью низкочастотной коррекции АЧХ, которая заключается в увеличении коэффициента усиления в области нижних частот. Часто низкочастотная коррекция осуществляется с помощьюRС-фильтра,включаемого в цепь стока или коллектора (элементыRф и Сфна рисунке 4.28). На рисунке 4.28 резистор  (а) или , а резистор (а) или .

Рисунок 4.28 – Схемы усилителей на полевом(а) и биполярном(б)

транзисторах с низкочастотной коррекцией АЧХ

Емкость конденсатора Сф выбирают таким образом, чтобы он оказывал малое сопротивление переменному току на средних и верхних частотах. В таком случае на нижних частотах сопротивление цепи выходного электрода переменному току будет определяться выражением

и усилительный каскад можно представить в виде эквивалентной схемы, показанной на рисунке 4.29,а.

Как видно из выражения (4.40), уменьшение частоты приводит к увеличению нагрузки по переменному току, что сопровождается увеличением коэффициента усиления и подъемом АЧХ в области нижних частот. Частотаfнпри этом уменьшается до значенияfн.кор (рисунок 4.29,б).

Рисунок 4.29 – Эквивалентная схема(а) и АЧХ(б) усилителя:

1 – без коррекции;2 – с низкочастотной коррекцией

Кроме осуществления низкочастотной коррекции,RС-фильтр выполняет и роль развязывающего фильтра, уменьшающего связь между каскадами по переменному току через общий источник питания.

4.5.4 Избирательные усилители

Избирательными, илиселективными, называют усилители с узкой полосой пропускания. Они применяются в том случае, когда из сложного входного напряжения необходимо выделить полезный сигнал, подавив остальные сигналы, представляющие помеху, например при приеме радио- и телепередач, в системах измерения, автоматического контроля и управления и т. д.

Уменьшение полосы пропускания усилителя достигается включением в него частотных фильтров в качестве нагрузки   (рисунок  4.32,а)или  в  цепь ОС   (рисунок  4.32,б).

В усилителях первого типа нагрузкой служит параллельный колебательный контурLC(рисунок 4.33,а),и частотная зависимость коэффициента усиления совпадает с частотной зависимостью сопротивления контура, достигая максимального значения Крез на резонансной частоте (рисунок 4.33,б). Модуль коэффициента усиления такого усилителя определяется выражением

     ,                                            (4.   )

где Крез – коэффициент усилителя на резонансной частотеfрез = ρQh21/h11 без учета влиянияri иRн);

f0 – резонансная частота колебательного контура.

Рисунок 4.32 – Включение частотных фильтров в качестве нагрузки усилителя (а) и в цепь ОС

Рисунок 4.33 – Схема избирательного усилителя с колебательным контуром(а)и его резонансные характеристики (б)

Он снижается при уменьшении добротностиQконтура.Уменьшение добротности происходит из-за шунтирования контура выходным сопротивлением транзистораri и входным сопротивлением следующего каскадаRн (см. выражение (4.    )).При уменьшении добротности контура увеличивается полоса пропускания ∆F усилителя, т. е. снижается его избирательность (рисунок 4.33, б).

Полоса пропускания усилителя с учетомri иRн определяется из выражения[]

                                  (4.   )

С целью увеличения добротности контура часто используется не полное, а частичное включение контура в коллекторную цепь (рисунок 4.34,а).При этом происходит ослабление связи контура с транзистором.При работе усилителя на низкоомную нагрузку для уменьшения шунтирования контура малым сопротивлением нагрузки выходное напряжение снимают с части контура (через конденсатор СР2 на рисунке 4.34,а)или с дополнительной обмоткиL2, индуктивно связанной с основнойL1(рисунок 4.34, б, в).При этом происходит ослабление связи контура с нагрузкой.

Схемы, изображенные на рисунке 4.34, нашли применение в качестве, например, усилителей радиочастот в приемной части радиоканала. Изменяя емкость С контура в широких пределах можно изменять его настройку (резонансную частоту ) и таким образом осуществлять избирательное усиление в соответствующем диапазоне частот.

C учетом частичного включения параллельного колебательного контура со стороны транзистора и нагрузки его добротность определяется из выражения[]

,                                             (4.   )

где ,  – коэффициенты включения контура соответственно со стороны коллектора транзистора (генератора тока) и нагрузки, аL1 иL2 соответственно части индуктивности контура, расположенные ниже точек подключения коллектора транзистора и нагрузки.

Рисунок 4.34 – Схемы узкополосных избирательных усилителей

Схема с трансформаторной связью (индуктивно-связанные контура), изображенная на рисунке 4.34,в, нашла применение, например, в качестве усилителей промежуточной частоты в приемной части радиоканала. Индуктивно-связанные контура имеют фиксированную настройку, т. е. колебательные контура не перестраиваются, что обеспечивает их высокую частотную избирательность.

Экспериментальные исследования показывают, что наибольшую добротность контура (от 50 до 200, а с применением ферритовых сердечников и до 500) легче всего обеспечить в диапазоне частот от 50 кГц до 5 МГц. На частотах менее 50 кГц добротность контура уменьшается вследствие роста активного сопротивления катушки, которое повышается с увеличением числа витков, а на частотах более 5 МГц – вследствие возрастания потерь в конденсаторе и в паразитной емкости катушки.

Рисунок 4.35 – Схема избирательного усилителя с двойным Т-образным мостом

На частотах менее 50 кГц лучшими избирательными свойствами обладают усилители, содержащие частотныйRС-фильтр в цепи ОС. В качестве частотногоRС-фильтра наибольшее распространение получил двойной Т-образный мост (рисунок 4.35). На частотеf0 = 1/(2RC), которая называется частотой квазирезонанса, коэффициент передачи двойного Т-образного моста  β =uос/uвых оказывается равным нулю (напряжения на выходах двух Т-образных фильтров (C,R/2,C иR, 2C,R) равны по амплитуде, но противоположны по фазе). Поэтому при включении его в цепь ООС усилителя (рисунок 4.35) на квазирезонансной частотеf0напряжениеuос равно нулю, а коэффициент усиления имеет максимальное значение. При частотах, отличающихся отf0,в усилителе появляется напряжение ООСuос,что приводит к уменьшению коэффициента усиления. Поэтому АЧХ избирательного усилителя с двойным Т-образным мостом подобна АЧХ резонансного усилителя.

Схема такого усилителя приведена на рисунке 4.36, а. Т-образный фильтр включается в цепь отрицательной обратной связи. На резонансной частоте ω0 фильтр вносит максимальное затухание в сигнал, проходящий с выхода на вход усилителя. Поэтому глубина отрицательной обратной связи практически равна нулю и усиление сигнала оказывается максимальным. На частотах, отличающихся от резонансной, затухание, вносимое фильтром, уменьшается. При этом увеличивается ООС и соответственно уменьшается усиление сигнала.

                                    а                                                                      б

Рисунок 4.36 - Схема избирательного усилителя с двойным Т-образным мостом

Частотная характеристика такого усилителя (рисунок 4.36, б) аналогична резонансной характеристике колебательного контура. Для того чтобы исключить влияние малого внутреннего сопротивления источника входного напряжения на Т-образный фильтр, между входом усилителя и фильтром включают развязывающий резистор R4, сопротивление которого составляет 1...2 МОм. Конденсатор С4 - разделительный. Остальные элементы схемы имеют то же назначение, что и в резисторном каскаде усиления.

4.5.5 Вопросы для самоконтроля

  1. Дайте определение широкополосного усилителя
  2. Почему ВУС является широкополосным усилителем?
  3. Зарисуйте графики изменений напряжений в ВУС на биполярном транзисторе (рисунок 4.14, б) при усилении отрицательного прямоугольного импульса
  4. Зарисуйте графики изменений напряжений в ВУС на биполярном транзисторе (рисунок 4.14, б) при усилении положительного прямоугольного импульса
  5. Зарисуйте графики изменений напряжений в ВУС на полевом транзисторе (рисунок 4.14, а) при усилении положительного прямоугольного импульса
  6. Почему постоянная времени τн в области нижних частот существенно больше постоянной времени τв в области верхних частот?
  7. В чем отличия в усилении импульсных сигналов каскадами на полевых и биполярных транзисторах?
  8. В чем проявляются различия выходного импульса широкополосного усилителя от входного прямоугольного импульса?
  9. Определите верхнюю граничную частоту полосы пропусканияfв ВУС на полевом транзисторе и время установления tу, если постоянная времени в области верхних частот τв = 0,1мкс
  10. Определите верхнюю граничную частоту полосы пропусканияfв ВУС на биполярном транзисторе и время установления tу, если постоянная времени в области верхних частот τв = 0,01мкс, а граничная частота биполярного транзистораfβ =1МГц
  11. Определите относительный спад вершины импульса δ и постоянную времени в области нижних частот усилителя τн, если нижняя граничная частотаfн =200Гц, а длительность импульса τи =1.5мкс
  12. Каким обобщенным параметром оценивается эффективность резистивного усилителя и как он определяется?
  13. Оцените влияние сопротивлений ri и Rн=RЗ2 (см. рисунок 4.35, б) на эквивалентную добротность контура Qэкв для двух случаев: ri=Rн=∞ и ri=Rн=Rвх
  14. Почему возрастает частотаfв при введении высокочастотной индуктивной коррекции?
  15. Почему в усилителях на биполярных транзисторах более эффективной является высокочастотная эмиттерная коррекция?
  16. Объясните принцип работы высокочастотной эмиттерной коррекции АЧХ
  17. В чем состоит сущность низкочастотной коррекции АЧХ?
  18. Объясните работу усилителя при наличии цепи низкочастотной коррекции АЧХ
  19. Дайте определение избирательного усилителя и определите области его практического применения
  20. Рассчитайте коэффициент усиления на резонансной частотеfв усилителя на биполярном транзисторе с высокочастотной индуктивной коррекцией с учетом h-параметров транзистора, если Iк= 10 мА, Iб= 0,1 мА, входное сопротивление транзистора h11 = 500 Ом, ri= Rн= Rвх, ρ = 700 Ом, Q = 50.
  21. Каким образом достигается уменьшение полосы пропускания в избирательных усилителях?
  22. Оцените, насколько увеличивается полоса пропускания резонансного усилителя, если сопротивления ri=Rн=2Rвх увеличить до бесконечности.
  23. Рассчитайте и сравните Qэкв при полном и частичном включении параллельного колебательного контура резонансного усилителя, если ri=Rн=Rвх, а р1 = р2=0,5
  24. Зарисуйте качественно АЧХ двойного Т-образного моста β=f(ω), учтя частоты ω=0, ω0, ω=∞.
  25. Объясните работу избирательного усилителя с двойным Т-образным мостом. Определите назначение его элементов.

Широкополосные и избирательные усилители. Широкополосныеи избирательные усилители на http://mirrorref.ru


Похожие рефераты, которые будут Вам интерестны.

1. Реферат Широкополосные и избирательные усилители

2. Реферат Избирательные усилители и генераторы синусоидальных напряжений

3. Реферат Избирательные усилители RC и LC типа. Устройство, принцип работы. АЧХ избирательных усилителей

4. Реферат Усилители постоянного тока. Балансные усилители

5. Реферат Усилители мощности. Особенности УМ. Однотактные и двухтактные усилители мощности. Энергетические соотношения УМ

6. Реферат Избирательные системы в РФ

7. Реферат Избирательные системы

8. Реферат Выборы и избирательные системы: мажоритальная

9. Реферат Развитие конституционной монархии в Англии в 18 – 19 вв. Избирательные реформы 19 века

10. Реферат УСИЛИТЕЛИ